汽轮机叶片制造工艺过程

轴流式蒸汽轮机动叶片制造工艺简述 摘要 摘要 介绍了汽轮机等截面直叶片 自由成型叶片 有成型规 律叶片汽道加工的毛坯制造 型面加工工艺过程 并介绍了五 联动加工中心的基本特点 简单说明了汽轮机叶片几种特种加 工方法的基本原理 关键字 关键字 汽轮机 动叶片 毛坯制造 加工工艺 特种加工 一 汽轮机简介 汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械 是蒸汽动 力装置的主要设备之一 主要用作发电用的原动机 也可直接驱动 各种泵 风机 压缩机和船舶螺旋桨等 还可以利用汽轮机的排汽 或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要 汽轮机是一种高温高压 高速旋转的机械 尤其对于发电用汽轮机来说 又是大功率输出地 原动力机械 所以设计要求汽轮机具有高效率 高安全可靠性 而 且可调性要好 目前我国发电用汽轮机以 300 600MW 居多 体积庞大 结构精细复 杂 由于多级轴流式汽轮机绝热焓降大 能够充分利用蒸汽的热能 因此绝大多数为发电用汽轮机均为多级轴流式汽轮机 汽轮机本体主要由转动部分和静止部分两个方面组成 转子包括主 轴 叶轮 动叶片和联轴器等 静子包括进汽部分 汽缸 隔板和 静叶栅 汽封及轴承等 因此汽轮机的制造工艺主要为上述部件的 制造工艺 汽轮机制造工艺的特点为 属单件生产 生产期长 材料品种多 材料性能要求高 零件种类多 加工精度高 设备要求高 操作技 能要求高 机械加工工种齐全 设计冷热工艺且面广 检测手段齐 备要求高 计量设备 测量工具齐全而且要求高 采用专门工装多 二 轴流式蒸汽轮机动叶片制造工艺 1 叶片的结构 静叶片一般由工作部分和安装部分组成 动叶片一般由叶根 叶型部分和叶顶三部分组成 2 叶片的工作条件及材料选择 叶片的工作条件复杂 除因高速旋转和气流作用而承受较高的静应 力和动应力外 还因其分别处在过热蒸汽区 两相过渡区 和湿蒸 汽区段内工作而承受高温 高压 腐蚀和冲蚀作用 因此叶片的材 料要满足以下要求 良好的常温和高温机械性能 良好的抗蚀性 良好的减震性 和一 定的耐磨性良好的冷热加工性能 叶片的常用材料有 1 铬不锈钢 1Cr13 和 2Cr13 属于马氏体耐热钢 它们除了在 室温和工作温度下具有足够的强度外 还具有高的耐蚀性和减振性 是世界上使用最广泛的汽轮机材料 2 强化型铬不锈钢 弥补了 1Cr13 型铬不锈钢热强性较低的缺 点 在其中加入钼 钨 钒 铌 硼等 3 低合金珠光体耐热钢 用于制造工作温度在 450 以下中压 汽轮机各级动叶片和静叶片 4 铝合金和钛合金 其密度小 耐蚀性高 用于制造大功率汽 轮机末级长动叶片 3 叶片的毛坯制造 1 叶片常用的毛坯形式 1 方钢毛坯 包括静叶片方钢毛坯和动叶片方钢毛坯 2 铸造毛坯 铸造静叶片 静叶片在强度等级上要求相对较低 允许使用铸造毛坯 3 锻造毛坯 包括动叶片的模锻毛坯 静叶片的模锻毛坯 高速锻 毛坯和精锻毛坯 4 轧制毛坯 5 爆炸成形毛坯 4 叶片气道型面加工工艺 叶片加工质量的高低直接影响着汽轮机的工作性能 叶片型面的加 工量约占叶片加工量的 1 2 叶片型面分截面型线不变的直叶片型 面和截面沿叶高变化的扭曲型面 1 等截面直叶片加工 1 1 动叶片 1 铆接围带动叶片加工 由于内弧是由 R 组成的型线 加工可用 普通铣床加圆柱铣刀来完成 采用卧刀法 铣刀直径 D 2R 当汽道 高度 l 70 mm 时 可采用捅铣加工以提高加工精度 光洁度及刀 具寿命 捅刀设计成 1 100 倒锥 直线部分为 6 8 mm 铆接围带动叶片加工工艺流程 2 自带围带动叶片 采用卧刀法 但铣刀轴径受到围带高度的限 制 如果铣刀轴径过小 叶片设计应修改 使围带向背弧方向偏移 自带围带动叶片加工工艺流程 普通机床 1 基准面加工 四轴铣床 2 叶根加工 数控立式铣床 3 铆钉头加工 加工中心 4 中间体加工 型面机床 5 型面加工 普通机床 1 基准面加工 强力磨床 2 叶根加工 型面机床 3 型面加工 加工中心 3 中间体加工 1 2 导叶片 冲孔围带导叶片与浇铸孔导叶片可采用同一种方法加工汽道 毛坯 形式 生产批量大用模锻毛坯 生产批量小用扁钢 多件合并下料 可提高生产效率 降低成本 用型线铣刀加工内弧和背弧 机床为 普通卧铣床 叶片内弦线应水平 与机床工作台平行 使得切削加 工及铣刀设计最佳 2 有成型规律叶片汽道加工 2 1 斜铣叶片加工 加工方法 普通卧铣床 专用夹具及型线铣刀 叶片斜铣结构线与 机床工作台纵向进给方向一致 型线铣刀从叶顶向叶根方向吃刀 2 2 斜铣加靠模叶片加工 加工方法 卧式液压仿形铣床 专用夹具 靠模板加型线铣刀 叶 片的 A A B B 截面间的一段斜铣结构线与机床工作台纵向进给方 向一致 在机床进给过程中垂直方向液压仿形铣头在特定的靠模板 做上 下仿形运动来满足分段方向吃刀 2 3 扭曲叶片 加工方法 普通卧铣床 专用夹具 回转装置 靠模尺加型线铣刀 通过专用夹具 回转装置使叶片回转轴线与机床工作台纵向进给方 向相同 在机床进给的同时叶片绕回转轴线根据转率旋转与铣刀型 线共同形成空间曲面 回转装置 由固定支座 回转体 齿轮及齿条组成 回转体回转中 心线与机床工作台纵向进给相同 同时与叶片回转中心线重合 夹 具固定在回转体上 齿轮固定在回转体并通过齿条带动其旋转 齿 条一端装有滚轮沿靠模尺做靠模运动 3 自由成型叶片加工 3 1 普通立式数控机床 夹具 设计时保证叶片 XOZ 平面水平 且 Z 轴指向机床纵向进给 方向 加工内弧 Y 轴指向工作台面 背弧 Y 轴指向工作台上方 刀具 球头铣刀 优选镶硬质合金刀片的刀具 加工方式 横向扫描和纵向扫描 抛光量 0 03 0 04 mm 波谷处 3 2 普通卧式数控铣床 夹具 使叶片 XOZ 平面与机床工作台平行 且 Z 轴指向工作台纵 向 X 轴指向工作台面 铣刀 普通 20 30 直径圆柱立铣刀 加工方法 拉铣与横向扫描相结合 3 3 五联动加工中心 五联动加工中心是目前最为先进的叶片汽道加工专用设备 由于全 部采用硬质合金刀具 高速切削 7000 1 0000 转 min 而且该 机床设计性能允许大余量切削 即粗加工去余量 所以工效可成倍 提高 切削方式 五联动可使刀具始终处于最佳切削状态 且切削力最小 由于刀尖切削 又由于工件进给方向保证主切削力始终沿型面方向 即叶片刚性较好方向 所以工件弹性变形小 现在使用五联动数控型面铣床主要加工自带围带动叶片的扭曲型面 数控型面铣床运用外倾角方法进行切削 用样条曲线连接整个型面 上的空间坐标点 从而完成型面加工 在数控型面铣床上 经一次 装夹 使用标准刀具便可除去内背弧和进出汽边的余量 精铣内背 弧型面和叶顶 叶根连接处 高机组效率 大部分叶片型面设计成 截面沿叶高变化的扭曲型面 按传统工艺 扭曲型面的加工较为复 杂 一般需 12 道工序 需配备大量夹具 成型铣刀 内背弧型线样 板等工装 技术准备工作周期长 加工效率低 现在 上海汽轮机 厂使用瑞士 STARRAG RIGID 公司的 NX 155 和 NX 154 和 LECHTI 公司 的五联动数控型面铣 经一次装夹使用标准刀具去除内背弧和进出 汽边余量 精铣内背弧型面和顶 根部连接处 一道工序可取代传 统工艺的 12 道工序 效率提高 10 倍以上 同时可省去大量夹具 成型铣刀和型线样板 缩短了技术准备周期 型面粗加工采用 ISCAR 八角形刀片 OEMT AER 76 IC928 主偏角为 45 度 可转位 八个刃切削 它抗冲击力强 刀盘的容屑槽空间大 出屑方便 适 用于粗加工 尤其对高 中压叶片中很难加工的 2Cr12NiMoWV 5 C422 马氏体耐热不锈钢材料 效率明显提高 是一般刀片的 4 5 倍 5 叶根的机械加工工艺 叶根是叶片的主要装配部位 它的加工精度决定着装配质量 并直 接影响着汽轮机的安全运行和效率 常用的叶根有 T 型 菌型 叉 型 枞树型等 叶根的加工工艺过程如下 下表为某 300MW 汽轮机末级动叶片加工工艺 工序号工序名称加工内容 1 备料毛坯为模锻件 叶片型面单面余量 5mm 厚度公差 1mm 叶根单面余量 6mm 叶顶留工艺头 毛坯需在制造厂钻三顶针中心孔 2 浇注低熔点合 金块 浇注低熔点合金 3 铣叶根及叶顶 基准面 加工叶根端面 叶根两侧面 内背径向面 叶顶基 面及中心孔 铣两端粗铣叶根精铣叶根 铣叶顶圆弧铣叶顶端面铣叶根凹槽 4 拆卸合金定位 块 脱掉方箱 回收低熔点合金 5 粗精铣叶根型 线 粗精铣叶根型线 6 粗精铣气道型 面 1 气道型面 2 拉筋凸台 3 内背弧圆角 7 校形校弯 校扭 8 高频感应加热 淬火 进气边淬火硬化 9 粗精铣叶根型 线 粗铣 半精铣 精铣 10 钻叶根销孔叶根三销孔加工 6 叶片加工中的特种加工技术 特种加工方法是指区别于传统切削加工方法 利用化学 物理 声 光 电 热 磁 或电化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方 法的总称 1 电解加工 电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件 进行成形加工的一种方法 工件接直流电源正极 工具接负极 两 极之间保持狭小间隙 0 1mm 0 8mm 具有一定压力 0 5MPa 2 5MPa 的电解液从两极间的间隙中高速 15m s 60m s 流过 当工具阴极向工件不断进给时 在面对阴极的工件表面上 金属材料按阴极型面的形状不断溶解 电解产物被高速电解液带走 于是工具型面的形状就相应地 复印 在工件上 其优点有 1 电解加工的刀具 工具电极制造比较容易 工具几乎无耗损 2 可不受材料加工性能的影响 3 成型精度高 重复精度也高 4 加工效率高 一次可直接完成两个型面的加工 校模次数可减 少 3 4 和仿形铣相比可提高效率 5 6 倍 5 光洁度高 叶片无毛刺 从而减轻了对叶片出汽边圆角的钳工 修整量 6 废品率很低 7 电解后的叶片重量均一 为转子平衡提供了方便 2 电火花成型加工 电火花加工是在液体介质中进行的 机床的自动进给调节装置使工 件和工具电极之间保持适当的放电间隙 当工具电极和工件之间施 加很强的脉冲电压 达到间隙中介质的击穿电压 时 会击穿介质 绝缘强度最低处 由于放电区域很小 放电时间极短 所以 能 量高度集中 使放电区的温度瞬时高达 10000 12000 工件表 面和工具电极表面的金属局部熔化 甚至汽化蒸发 局部熔化和汽 化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中 并被冷却为金属小颗粒 然后被工作液迅速冲离工作区 从而使工件表面形成一个微小的凹 坑 一次放电后 介质的绝缘强度恢复等待下一次放电 如此反复 使工件表面不断被蚀除 并在工件上复制出工具电极的形状 从而 达到成型加工的目的 具有以下特点 1 脉冲放电的能量密度高 便于加工用普通的机械加工方法难于加 工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件 不受材料硬度影响 不受热处理状况影响 2 脉冲放电持续时间极短 放电时产生的热量传导扩散范围小 材 料受热影响范围小 3 加工时 工具电极与工件材料不接触 两者之间宏观作用力极小 工具电极材料不需比工件材料硬 因此 工具电极制造容易 4 可以改革工件结构 简化加工工艺 提高工件使用寿命 降低工 人劳动强度 3 高频感应焊接 高频 是相对于 50Hz 的交流电流频率而言的 一般是指 50KHz 400KHz 的高频电流 高频电流通过金属导体时 会产生两 种奇特的效应 集肤效应和邻近效应 高频焊接就是利用这两种效 应来进行焊接的 4 激光强化 激光表面强化 用激光向零件表面照射加热 在极短时间内 零件表 面极薄层就达到相变或熔化温度 从而使表面性能提高 5 电火花强化 电火花强化是以直接放电的方式向零件表面提供能量 并使之转化 为热能和其它形式的能量 以达到改变表层化学成分和金相组织的 目的 从而使表面性能提高 电火花强化原理参见左图 R 限流电阻 C 储能电容器 组成电火花强化设备的最基本 部件是脉冲电源和振动器 前 者供给瞬时放电能量 后者使 电极振动并周期地接触工件当 电极棒 焊条 在工作表面旋转 当某些部位间隙很小时 使主机 放电回路形成通路 在他们相互接触的微小区域瞬时流过电流 电 流密度可达到 105 106A cm2 而放电时间仅 秒 由于 10 6 10 5 放电能量在时间上和空间上高度集中 在放电微小的区域内产生了 约 8000 10000 的高温 使该区域的局部材料高能离子化 电 极棒 焊条 在等离子冶金状态下高速转移到工件表面 并扩散进 入到工件表层 形成冶金型牢固结合的沉积层 主机电源放电周期 为 秒 高频率的放电和电极棒 焊条 在工件表面的高 10 3 10 1 速旋转扫描 可实现大面积高效率的沉积涂层 4 喷砂 喷砂是采用压缩空气为动力 以形成高速喷射束将喷料 铜矿砂 石英砂 金刚砂 铁砂 海南砂 高速喷射到需要处理的工件表面 使工件表面的外表面的外表或形状发生变化 由于磨料对工件表面 的冲击和切削作用 使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙 度 使工件表面的机械性能得到改善 因此